1

Capitolul 1

1. GENERALITĂŢI PRIVIND MATERIALELE SEMICONDUCTOARE

Electronica este ramura ştiinţei şi tehnicii care se ocupă cu fenomenele şi

aplicaţiile conducţiei electrice în vid, gaz sau semiconductor. Ansamblul format din părţi componente, imobile unele faţă de altele, între

care se produce conducţia în vid, gaz sau semiconductor, se numeşte dispozitiv electronic.

Corpurile solide, din punctul de vedere al conductivităţii electrice σ la temperatura mediului ambiant, se împart în:

a) conductoare, pentru care 168 ))(1010( −⋅Ω÷= mσ ; b) semiconductoare, pentru care 195 ))(1010( −− ⋅Ω÷= mσ ; c) izolatoare, pentru care 19 )(10 −− ⋅Ω= mσ ;.

Conductivitatea electrică σ, respectiv rezistivitatea electrică ρ a corpurilor solide, este determinată de apariţia purtătorilor de sarcină electrică, în anumite condiţii energetice. Pentru descrierea purtătorilor de sarcină dintr-un corp solid se utilizează legile mecanicii cuantice şi rezultatul aplicării acestor legi îl reprezintă modelul benzilor energetice [?DCE – Dănilă, ? Electr. - Vasilescu].

Rezistivitatea electrică ρ variază cu temperatura astfel: creşte pentru conductoare şi scade pentru semiconductoare pe măsură ce creşte temperatura.

Materialele semiconductoare fac obiectul de studiu al disciplinei electronică industrială şi pot fi de două feluri:

1) semiconductoare intrinseci; 2) semiconductoare extrinseci.

2

Se numeşte semiconductor intrinsec semiconductorul chimic pur, adică este format dintr-un singur fel de atomi: siliciu (Si) sau germaniu (Ge). În practică se consideră un semiconductor intrinsec dacă la 1010 atomi există 1 atom străin.

Dacă într-un semiconductor intrinsec se introduc atomi străini, se obţine un semiconductor cu impurităţi, sau semiconductor extrinsec.

Procesul de introducere al atomilor străini se numeşte dopare. Elementele cu care se realizează impurificarea sunt elemente pentavalente sau elemente trivalente. Atomii de impuritate substituie un anumit număr de atomi de germaniu sau de siliciu din reţeaua cristalină a semiconductorului. Electronii de valenţă ai atomilor străini vor forma legături covalente cu atomii învecinaţi.

Dispozitivele electronice semiconductoare pot fi realizate cu semiconductoare de tip n sau de tip p.

Un semiconductor de tip n se obţine dintr-un semiconductor intrinsec tetravalent dopat cu atomi pentavalenţi. Astfel, unul dintre electronii de valenţă nu participă la legătura covalentă şi deci poate fi separat de atomul său cu un consum redus de energie. Atomul de impuritate, pierzând un electron, se transformă în ion pozitiv. Într-un semiconductor de tip n există purtători majoritari, electronii şi purtători minoritari, golurile. Concentraţia de goluri este de circa 109 ori mai mică decât concentraţia de electroni.

Un semiconductor de tip p se obţine dintr-un semiconductor intrinsec tetravalent dopat cu atomi trivalenţi. Una din legăturile covalente rămâne nesatisfăcută şi apare un gol. Ocuparea golului de către un electron de valenţă, provenit de la un atom învecinat, transformă atomul trivalent într-un ion negativ. Într-un semiconductor de tip p purtătorii majoritari vor fi golurile, iar purtătorii minoritari electronii.

Atomii de impuritate pierzând sau primind un electron se transformă în ioni pozitivi sau negativi, fixaţi în reţeaua cristalină. Cristalul rămâne neutru din punct de vedere electric, numărul sarcinilor pozitive fiind egal cu numărul sarcinilor negative. Procesul de ionizare a atomilor de impuritate necesită o energie scăzută, astfel încât la temperatura obişnuită (200 C), toţi atomii de impuritate pot fi consideraţi ionizaţi.

3

Joncţiunea pn se obţine impurificând un material semiconductor monocristalin astfel încât o regiune semiconductoare de tip p să se învecineze cu o regiune semiconductoare de tip n. La suprafaţa de separaţie se formează o joncţiune pn.

Joncţiunea pn are o importanţă esenţială în funcţionarea unei clase mari de dispozitive electronice semiconductoare.